Seminar: neue Übertragungstechniken und Protokolle im Internet WDM – all optical networks Von Christian Lageman Grundlagen • WDM – Wavelength Division Multiplexing • Frequenzmultiplex auf Glasfaserkabel Glasfaser l2 l1 l3 • statt einer Wellenlänge werden mehrere zur Übertragung verwendet (~ mehrere „Farben“) Grundlagen 2 • Meist 200nm Bereich um 1300nm und 1550nm nutzbar (von Faser abhängig) • Gesamtkapazität von Glasfaser liegt im 50 Terabit Bereich • Mindestabstand zwischen Wellenlängen, abhängig von eingesetzten Komponenten und physikalischen Effekten • Einzelne Kanäle (=Wellenlängen) meist im Bereich 2,5 Gbps bis 10 Gbps Grundlagen 3 • Heute mehrere Hundert Wellenlängen möglich (laut Lucent) • DWDM = dense WDM, viele, dicht liegende Wellenlängen (Abstand < 1nm ) • Standards zum Teil noch in Arbeit (ITU-T u.s.w.) • Funktionale Anforderung an rein optisches Netz schon standardisiert, ITU-T: G.872 Direkte Vorteile • Einzelne Kanäle niedrigere Bandbreite als gesamte Faser billigere Komponenten • Ausnutzung der Gesamtbandbreite technisch einfacher • Einfache Kapazitätserhöhung bestehender Strecken STM-16 STM-16 STM-16 l2 l1 l3 Elemente eines WDM Systems • Sender – Laser fester oder einstellbarer Wellenlänge • Empfänger – feste oder einstellbare Wellenlänge • Verstärker – verstärken ganzen Wellenlängenbereich, Bandbreite von Typ abhängig – Nur Signalenergie wird erhöht, keine Regeneration • Wellenlängenmultiplexer / -demultiplexer – Multiplexer fassen Signale verschiedener Wellenlängen zu einen Signal zusammen – Demultiplexer trennt Signal nach Signalen verschiedener Wellenlängen auf Elemente 2 • Wellenlängenkonverter – Ändert die Wellenlänge eines Signals • Filter – Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen – Auch einstellbare Filter möglich • Verzögerungsleitungen – Verzögern Signal – wirken wie optischer Puffer • 2x2 Schaltelemente – Schalten Signale (alle Wellenlängen !) gerade oder quer durch Wellenlängen Switch • Schaltet Wellenlängen von Eingangsfasern auf (andere) Wellenlängen von Ausgangsfasern durch • Primitiv: passiver Stern (passive star) • Nicht konfigurierbare, implementiert durch WGR (waveguide grating router) • Konfigurierbare: OXC (optical crossconnect), WRS (wavelength routing switch) Wellenlängen-Demux Faser 1 Wellenlängen-Mux Switch l1 Faser 1 l-Konv. Faser M Switch ln Switch Faser K Add-/Drop Multiplexer • OADM (optical add/drop multiplexer), WADM (wavelength add/drop multiplexer) • Entfernt Signale bestimmter Wellenlängen von Faser und ersetzt sie durch andere Signale 2x2 Crossconnects Eingang Ausgang l Demux l Mux Add Drop Paket Switching • Zur Zeit nur rein herkömmlich elektronisch • Ziel: rein optisches Paket Switching • Zwischenschritt: Kombination von elektronischer Steuerung und rein optischen Datenpfad • Mit heutigen Techniken langsam unnötiges Paket Switching vermeiden Optisches Routing: Lichtpfade • Wie stellt man in einen WDM Netz Verbindungen her ? • Gedanke: Lichtpfade • Reserviere entlang eines Pfads in Netz von Quelle zu Ziel eine Folge von Wellenlängen, auf jeder Punkt zu Punkt Verbindung genau eine • Routet man Signale von Quelle zum Ziel über diese Wellenlängen, so erhält man eine Punkt zu Punkt Verbindung von der Quelle zum Ziel • Dies entspricht einer Durchschaltevermittlung ! Lichtpfade 2 • Da Wellenlängen reserviert, keine Benutzung durch andere Verbindungen • Damit kein Paket Switching innerhalb dieses Pfades nötig ! • Routing über direktes Durchschalten der Wellenlängen auf andere Fasern/Wellenlängen mittels OXCs • Empfangen/Einspeisen der Signale über OADMs Beispiel 3 Wellenlängen Gelbe Knoten Sollen mit allen anderen verbunden werden Lichtpfade 3 • Manchmal keine Wellenlängenumwandelung (wavelength continuity constraint) • Lichtpfade legen über die physikalische Topologie des Netzes eine virtuelle Topologie • Nicht alle Knoten müssen direkt per Lichtpfade verbunden sein, dann teilweise Paket Switching / TDM in Knoten Eingehende Lichtpfade Verarbeitung im Knoten Ausgehende Lichtpfade Wieder Beispiel Virtuelle Topologie Konstruktion von Lichtpfaden • Ziel: Konstruktion einer virtuellen Topologie (= Lichtpfade) und Zuweisung von Wellenlängen an die Lichtpfade im physikalischen Netz • Vollständige Vermaschung als virtuelle Topologie meist nicht nötig/möglich • Paket Switching also nötig, möglichst selten Hopzahl der Pakete gering halten • Wellenlängen pro physikalische Verbindung beschränkt • Verkehrsmatrix (= Matrix der Verkehrsrate von Knoten zu Knoten) gegeben Konstruktion 2 • Konstruktion als Optimierungsproblem: – Gegeben: Verkehrsmatrix, physikalische Verbindungen,Verzögerung pro Verbindung, Wellenlängen pro Verbindung – Kostenfunktion: Verzögerung des Verkehrs – Ziel: virtuelle Topologie mit minimalen Kosten aufstellen • Problem NP-hart ! Konstruktion 3 • Zielfunktion nicht linear, kann aber durch Einschränkungen linear gemacht werden (nur Hopzahl minimieren) • Heuristiken für Optimierungsprobleme benutzbar (Simulated Annealing etc.) • Ansatz: Zerlegung in – Bestimmung geeigneter virtuellen Topologie – Optimales Routing der Lichtpfade und Wellenlängenzuweisung Pro- & Contra • Vorteile: – Direkte Verbindungen zwischen Knoten ohne Paket Switching schnell – Flexibilität durch virtuelle Topologie • Nachteile: – Optimale Lichtpfade schwierig zu berechnen, Probleme bei schneller Reaktion auf veränderte Verkehrsparameter – Bei hoch varianten Verkehr keine optimale Ausnutzung der Bandbreite Verschwendung und Überlastprobleme, vor allem bei paketorientierten Protokollen – Gegenmaßnahme: Paket Switching, macht Vorteile kaputt MPLS für „XXX over WDM“ • Hier: Multiprotocol Lambda Switching • Protokoll XXX (=ATM, IP etc.) läuft über WDM mittels MPLS • Grundgedanke wie normales MPLS (multiprotocol label switching) • Wellenlängen als Label • Somit: – Kein direktes Stapeln von Labels – Laut Literatur kein Label Zusammenfassen • Lichtpfad entspricht Label Switched Path MPLS 2 • OXC entspricht label switching router • Labelstapel lassen sich durch Benutzung von Paket Switches implementieren: – Stapel wird Paket hinzugefügt – Wellenlänge oberstes Label • Traffic engineering wie bei normalen MPLS durch OXC mit geeigneter Steuerung Pro & Contra • Vorteile: – Approximation des Optimierungsproblems bzw. Verschieben des Problems auf MPLS Ebene – Bessere Reaktion auf Lastveränderung (MPLS abhängig) – Allgemein Vorteile des Lichtpfadansatzes • Nachteile: – Bandbreitenverschwendung (Überlastprobleme) bei Konzentration auf Wellenlängenrouting – U.U. variable Paketlängen, macht optisches Paket Switching schwierig Optische Wrapper • Ziel: Übertragung auf WDM Ebene soll möglichst flexibel sein • Idee: Nimm Datenstrom beliebigen Protokolls (Netzwerkebene und tiefer) und lege einen Mantel (Wrapper) um sie, der Steuerinformationen für WDM Schicht enthält • Technologie von Lucent • Standardisierung im T1 Forum/ITU läuft noch Wrapper 2 Kanaloverhead Nutzdaten FEC • Containergrösse: 4080 Bytes • Kanaloverhead: 16 Byte, Leitungsinformationen etc., kann über mehrere Rahmen hinweggehen • FEC = forward error correction, Fehlerkorrektur, 256 Byte Wrapper 3 • Trick: Die Nutzdatenbytes dienen nur als Platzhalter • An ihrer Stelle kann beliebiges digitales Signal konstanter Bitrate stehen • Bitrate natürlich begrenzt • Einfacher Transport verschiedener Protokolle über WDM Netz • Auch Einspeisung ins Netz einfach ! Wrapperaufbau Kanaloverhead FEC 1 Teilrahmen 1 Nutzdatenbereich Teilrahmen 16 Übertragungsrichtung FEC Wrapper & MPLS • Die Wrapper Technologie ist mit MPLS verträglich (lambda switching) • Aber keine Label Stapel in Paketen mehr ! (auf WDM – Ebene) • Im T1 Forum gab es schon Vorschläge zu ASONs (automatically switched optical networks) Pro & Contra • Vorteile: – Extrem flexibel – Kann Vorteile von MPLS/Lichtpfaden erben – Gut geeignet für optisches Paket Switching • Nachteile: – Mehr Overhead DTP • Dynamic Paket Transport, SRP (Spatial Reuse Protokoll) Zugriffsprotokoll • Von Cisco • Nur Ringstrukturen, mehrere Ringe werden durch einzelne Router verbunden • Nur für IP Verkehr, Paket Switching, rein elektronisch • Für IP aufgebohrter SDH Nachfolger Entwicklung der optischen Übertragung IP MPLS IP WDM nur als virtuelle Kabel ! WDM ATM IP IP SDH ATM Wrapper optisch optisch WDM IP SDH optisch Informationen • Literatur – Optical Communication Networks, Biswanath Mukherjee, McGraw-Hill • Internet – www.t1.org : Optical Wrapper Vorschläge – www.ietf.org : Multiprotocol Lambda Switching (nach „optical“ suchen, Draft von Awduche) – http://www.lucent.com/ideas/perspectives/bltj/ : Bell Labs Technical Journal – http://www.cis.ohio-state.edu/~jain/ : Raj Jain Homepage – http://www.cisco.com/warp/public/cc/cisco/mkt/ser vprod/opt/dpt/index.shtml : Cisco‘s DTP
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